“威爾士親王”號航母測試短距滑躍起飛和“滾動式”降落——

  垂直起降艦載機能否突破“兩難怪圈”

  F-35B戰機。 新華社發

  前段時間，美軍對垂直起降艦載機F-35B進行“滾動式”降落訓練。其實，去年10月，美國和英國便以“威爾士親王”號航母為&&，進行F-35B戰機的短距滑躍起飛和“滾動式”降落測試，以尋求用更大機載重量完成戰機起降。

  近年來，緣於垂直起降過程中的苛刻條件和較大油耗量，各國服役的垂直起降艦載機事故頻發。為了彌補設計缺陷，科研人員開始嘗試為垂直起降艦載機升級發動機、變換起降方式、改造航母&&等。那麼，垂直起降艦載機如何負重起降？短距滑躍起飛和“滾動式”降落能否成為其飛行新方式？未來配套技術及武器又會迎來什麼發展？請看本文解讀。

  一個關於垂直起降的“兩難怪圈”

  1969年4月，英國皇家空軍迎來一批“特種新兵”——雖然有着戰機的外觀，卻能垂直升空並在空中懸停，這讓飛行員驚嘆不已。這就是由霍克飛機公司與布裏斯托爾航空發動機公司聯合研製的“鷂”式戰機。

  “鷂”式戰機的“絕活”，源於一組特殊的“心臟”——搭載推力轉向技術的“飛馬”發動機，通過調節旋轉發動機噴口，助力戰機垂直起降，並在空中完成多種特殊動作。

  隨着戰機投入實戰，垂直起飛時挂載武器少、油耗大等問題逐漸顯現，這也直接影響其海上作戰能力。

  如何讓垂直起降艦載機“負重起飛”？科研人員的目光再次聚焦航母滑躍式起飛甲板。這種弧形上翹的甲板，能使艦載機在滑行後獲得合適的起飛迎角，配合強勁的發動機，實現大載荷起飛。

  這個過程就像童年時放飛紙飛機，先找準合適角度“巧借東風”，再大力拋出，紙飛機就可以飛翔。自20世紀70年代起，英國對“競技神”號輕型航母進行改造，拆除了蒸汽彈射器，之後又將艦艏甲板改裝成向上12度的滑躍甲板，通過“短距滑躍起飛、垂直降落”的方式，實現“鷂”式戰機裝備更多彈藥遠程作戰，有效提升了垂直起降艦載機的作戰半徑。

  除了“巧借東風”，使用輕薄材料減重“瘦身”，也是增加戰機航程和彈藥量的重要選擇。航空界有這麼一句話：“為減輕飛機每一克重量而奮鬥。”科研人員論證設計飛機時，在材料、設備使用上的一項基本原則是“能減盡減”。

  20世紀60年代末，蘇聯在初代垂直起降艦載機雅克-38的研發過程中發現，其升力發動機在飛行時不工作，給戰機增加不少重量，導致油耗大、載彈量少，最大作戰半徑不足200公里，被稱為“桅桿保護者”。

  隨後10多年裏，蘇聯雅剋夫列夫設計局在戰機設計中廣泛採用鋁鋰合金等複合材料，減少自身重量增加航程，並通過加裝各種新型空戰武器和對地攻擊武器，讓戰機具備超視距空戰能力。

  1987年，蘇聯第二代垂直起降艦載機雅克-141問世。該戰機碳纖維材料佔比28%，最大起飛重量較初代垂直起降艦載機提升近8噸，作戰半徑700公里，最大飛行速度1.7馬赫，成為世界上第一架實現超聲速飛行的垂直起降艦載機。

  2004年，美國在研發F-35B戰機過程中發起了“減肥計劃”。為追求輕量化，科研人員開展了持續8個月的升級改造工程，使用高強度黏合劑替代蒙皮緊固件，對每個細微零件進行銑削和磨削，甚至縮小了垂尾尺寸，為戰機減重約1.225噸。

  好景不長，F-35B出現了“減肥後遺症”。在2010年的耐久性測試中，F-35B試驗機主要機翼承力隔框過早出現結構裂紋。機體結構強度大打折扣，導致首批F-35B戰機的預計服役壽命僅為設計值的四分之一，並且在服役期間故障頻發。由此可見，通過“減肥”實現戰機“負重起飛”，是一個兩難選擇。

  目前，美軍又提出F-35B升級計劃，通過改裝發動機、提升新材料應用比例，以期大幅降低戰機故障率、延長服役壽命，但最終能否突破垂直起降的“兩難怪圈”，還是一個未知數。

  組合方案助力安全起降

  現代海戰，遠離陸基補給站，航空燃油是寶貴資源，且戰機裝備的精確制導導彈，一枚造價動輒上百萬美元。為了保證軍事行動的可持續性，垂直起降艦載機不僅要能夠“負重起飛”，更要實現載彈載油安全着艦。

  為此，科研人員採用“常規推進系統+升力系統”的組合方案，將發動機輸出的動力進行分流，達到“飛起來”“落得穩”的效果。

  第一步是通過渦輪主軸，將動力傳送給位於發動機前部的風扇裝置，該裝置産生向下噴出的氣流，再由風扇底部噴管對産生的升力進行矢量調節；第二步是通過偏轉式噴口，將發動機燃燒室向後噴出的氣流向下偏轉，將戰機支撐在空中，當戰機需要向前飛行時，噴口會向後偏轉，産生向前推力；第三步是通過兩根導管，將發動機壓氣機産生的壓縮空氣分別引至兩側機翼，再通過翼尖上的噴口向下噴出。這樣不僅能為戰機提供更多垂直向上的升力，還能在機體重心偏移時，調節噴氣方向，保持戰機平穩飛行姿態。

  俄羅斯圖曼斯基設計局將常規推進系統升級為轉噴口發動機，並應用在雅克-141戰機上。該發動機噴口具備轉向功能，可以向下偏轉。在戰機垂直起飛時，噴口向下噴射，提供升力；進入巡航狀態後，噴口恢復水平，提供前進動力。此外，座艙後部機身串聯安裝的2&RD-41升力發動機，同樣由圖曼斯基設計局研發，專為提升戰機垂直起降性能設計，確保在起降過程中獲得足夠升力支持。

  然而，英國科研人員發現，無論是“常規推進系統+升力系統”還是“轉噴口發動機+升力系統”，兩種組合方案在惡劣天氣條件下，經常會出現推力不足等問題。於是，他們開發出艦載機“滾動式”降落技術。

  “滾動式”降落兼具傳統常規着艦和垂直着艦的方式，艦載機以一定的下滑角從艦艉方向進場，在升力風扇、偏轉噴管、機體氣動結構的共同作用下，以“樹葉飄落”的姿態減速抵近航母，觸艦後依靠數字式防抱死剎車系統將地面剎車距離控制在50米以內。

  雖然“滾動式”降落與標準垂直降落方式相比更複雜、風險更高，但降落過程中提供的強勁升力，讓艦載機能夠攜帶更大載荷着艦。2018年，英國皇家海軍在“伊麗莎白女王”號航母上完成了187次垂直着艦，並進行了15次艦上“滾動式”降落試驗，取得不錯效果。

  配套技術帶動能力升級

  20世紀70年代初，時任美國海軍作戰部部長艾爾默首次提出建造更小、性價比更高的“制海艦”，並搭載垂直起降艦載機。當時，該方案因垂直起降技術不成熟，遭到軍方否決。

  半個世紀過去，越來越多國家軍隊裝備了垂直起降艦載機，與其搭配作戰的兩棲攻擊艦也隨之迭代發展。以2019年下水的意大利“的裏雅斯特”號兩棲攻擊艦為例，它裝備有滑躍式起飛甲板和泛水塢艙，能搭載約20架垂直起降艦載機，高效執行制海制空任務，一度成為各大軍工企業爭相模仿的“樣板艦”。

  與此同時，垂直起降艦載機的入列，也帶動了一批配套技術和武器裝備的快速發展。這些配套技術和武器裝備成為垂直起降艦載機的“新搭檔”，有效提升了戰鬥力。

  飛行甲板穿“隔熱服”。由於垂直起降艦載機起降時向下噴出的高溫燃氣，會對甲板形成高溫腐蝕，科研人員在甲板熱防護層的研發上下功夫。以英國皇家海軍“伊麗莎白女王”號航母為例，科研人員開發出一種以鋁鈦合金為主的新型金屬熱障涂層技術，2.5毫米厚的防護涂層可以保護甲板承受上千攝氏度的發動機尾焰高溫。

  升力風扇 “減脂瘦身”。升力風扇雖然能為垂直起降艦載機提供更大升力，但佔據大量機身空間，戰機因此減少了載油量。戰機平飛後，升力風扇又失去用武之地。為了進一步提升戰機的動力效能，科研人員一方面採用前置升力風扇方式，降低迎風阻力；另一方面，通過減少風扇葉片數量，優化葉片氣動設計，實現在保持大推力下的設備減重。

  發動機“化繁就簡”。推力矢量發動機偏轉機構、調節板等複雜部件較多，精簡設計可以提升推力矢量發動機效能。為此，一些國家科研人員提出氣動推力矢量理念，在噴口中增加一小股可控方向的氣流，對噴口主流進行干擾，産生推力矢量。用這樣一堵“空氣墻”代替傳統的偏轉機構，不僅可以使噴口重量減輕80%，降低一半的製造成本，還能加快推力矢量發動機的反應速度，有效提升垂直起降艦載機的機動性和敏捷性。

  飛得更快、落得更穩、動力轉換更高效……這些正在進行的變化，幫助垂直起降艦載機不斷適應新的戰場需要。

  去年，英國皇家海軍&&了航母改造計劃——在伊麗莎白女王級航母的基礎上拆除滑躍飛行甲板，加裝阻攔索和電磁彈射器，讓F-35B戰機的起降過程更加高效便捷。

  不僅如此，改造後的航母還將搭載艦載無人加油機。通過空中加油方式，可以增加垂直起降艦載機航程和作戰半徑。

  從某種意義上看，這些配套技術的迭代升級和賦能增效，為垂直起降艦載機嘗試短距滑躍起飛和“滾動式”降落奠定基礎。武器裝備的進化發展，很少單項躍進，更多的是合力推動，其效能究竟如何，還需進一步檢驗。（姜子晗 劉任豐 宋 鵬）